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实验六植物冠层分析仪测量原理与使用方法【实验目的】通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器——植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。
【实验原理】叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。
叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。
由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。
LAI是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。
LAI值变化范围：针叶林的为0.6～16.9；落叶林为6～8；年收获的作物为2～4；绝大部分生物群系为3～19。
LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法。
直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。
其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。
因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。
间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。
间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层LAI的季节变化。
冠层分析仪叶面积指数（LAI）自动测量仪器I SmartLAI Smart系统充分利用当前成熟的智能终端设备的成像与高性能计算功能，实现植被叶面积指数实时计算；并且提供操作与数据处理选择，方便根据实际情况进行测量设置。
LAI Smart由硬件和软件组成，其中硬件包括信息采集智能终端、用户操作控制台与仪器支架；软件包括信息采集软件模块、无线传输控制模块以及实时计算存储模块。
LAI Smart具有数据实时计算功能，用户可以即时看到数据处理结果，同时，LAI Smart支持数据无线传输，在有手机网络信号的情况下，数据可以根据用户的设置，远程传输到远端服务器，在保证测量数据安全的情况下，提供了数据实时共享的可能性。
I-Net植物联网观测矩阵——LAI Net是由多个Zigbee无线传感器网络节点组成，通过在研究区部署多个观测节点，形成一种密集的观测矩阵，能够实现长时间序列的大范围内的叶面积指数自动测量。
出发点传统的植被冠层分析系统均是依靠人工手持式的进入观测场地进行测量，这种传统的方式比较适合小范围内的较低时间频次的测量。
当需要进行大的空间范围、较高的时间频次的观测的时候，传统的方式需要消耗大量的人力和物力，且未必能够获取到满足要求的地面观测数据。
例如，在对遥感卫星获取的地面植被叶面积指数验证的时候，为了获取与卫星对应的空间范围与时间范围的数据，传统的依靠单点的观测方法，会显得力不从心。
系统组成利用当前应用较为广泛的无线传感器网络（物联网）技术，开发的一种植被联网观测矩阵，简称LAI Net。
LAI Net是由部署在植被研究区的一系列无线传感器节点组成，各个节点一方面能够实现独立的观测，另一方面又可以通过ZigBee 网络自动组网，因此，在整个研究区域之内，形成一个自组网的植被冠层观测矩阵，网络的部署结构如图所示。
LAI Net由三类传感器节点组成，分别为：（1）冠层上节点，用来接收太阳的下行总辐射；（2）冠层下节点，用来接收植被冠层的透过辐射；（3）数据汇聚节点，用来接收并无线发射上述两类节点的测量数据。
一原理简介植被冠层叶片的数量可通过测量光线透过冠层时被削弱的程度推导出来。
从不同的天顶角角度来测量这种削弱，也可得到叶片倾斜的情况。
LAI-2000同时测量5个角度上天空漫射线的削弱。
LAI-2050光学探头将近半球的景象提供给位于同心环上的5个探测器上。
这样，如果探头水平朝向天空，探测器1将测量正上方的亮度，探测器5将测量中心为天顶角68°弧度为13°的亮度（与地平线角度为22°）。
LAI-2000测量得到的数据至少10个：探头位于冠层上方时的5个数值，和探头位于冠层下方时的5个数值。
在这两次测量中，探头始终指向天空。
冠层透射率的5个值是由这些对应读数两两相除得来的，例如，如果探测器1在冠层上的读数为50（单位不重要），冠层下的读数为5，那么在这个角度上（中心角度为7°）的透射率为5/50=0.10。
据这5个天顶角的透射率，LAI-2000可计算出叶片数量（叶面积指数，LAI）和叶片倾斜度（平均叶片倾斜角度，MTA）。
实践中，常取多个冠层下数值来进行空间平均。
二操作方式===LAI-2000需要冠层上下的测量值来进行计算，可通过三种方式来完成。
●一个探头方式：冠层上读数（A）和冠层下读数（B）均用一个探头测得，这种方式适于矮冠层，方便将探头置于冠层上。
这种测量以A读数开始，当B读数记录后，仪器会以最近的A值来计算透射率。
如果天空条件稳定，一组A值可应用于几组B值。
如果天空条件变化迅速，则应在每组B值前迅速测量一组新的A值。
●两个探头方式：两个探头都接在主机上，一个位于冠层上，一个位于冠层下，同时记录两组值，并计算出透射率。
应注意若将两个探头置于同一条件下时应有相同的读数，主机中有校正程序，测量前应进行自我校正。
这种方式适于高大冠层，同时也解决了天空条件变化迅速的情况。
●遥感方式：一个探头和主机自动测量A值（如每15秒），另一个探头和主机手动测量B值，同两探头方式一样要进行校正。
一、仪器基本构成：分为传感器、处理器两部分；传感器采集器二、传感器和处理器连接注意采集器顶部的插口，只需将传感器串口和采集器顶部左上串口相连即可，并锁紧螺丝。
用如图指出的端口与传感器串口相连三、开机、关机、按键（1）开机、关机只需按采集器部分相应按键即可；开机：按ON键；关机：按FCT+0+9键；开机 关机（按图所示顺序按键）（2）基本按键 某些操作，如记录观测地点、观测对象等参数时需要输入字母或数字，配合采集器的按键完成录入。
数字键：只需直接按采集器相应的数字按键即可； 字母：由于字母分布在某些按键的不同位置，因此需要配合上下键进行操作；（如，需要输入AK ，则需要一次按↑SETUP ↓FCT 操作即可，如下图）；输入字母四、基本设置1.检查监视模式14注：可以通过F1方便我们找出下一个文件的号码，方便记录和操作2.调整执行列表注：此项内容已经无需在进行调整3.设置操作模式这里的op mode采用1次观测上方观测，6次冠层下方观测的方法进行观测；只需更改set prompts选项；4.文件的基本操作使用FILE，可以显示文件操作菜单，显示如下：20 **Files21 Memory Status22 Delete23 Renumber24 Clear Ram25 Edit26 Recompute27 View2829 Off这里，有必要说明的是21、22和27项；Memory Status 用↑键即可是21显示在采集器屏幕中第一行，按下ENTER后，屏幕会显示采集器已经观测文件条数，以及剩余的内存百分比和内存大小。
当内存容量进行90%时要考虑导出必要文件做好备份，并删除文件以释放内存。
Delete 同样用↑键使得22显示在采集器屏幕第一行，按下ENTER后；屏幕会指示输入需要删除的文件起止号，如From：87，THRU：90即删除87~90条观测文件，为form87，thru87则删除第87条观测文件。
LAI-2000简易操作指南LAI回答“有多少叶片”，尽管LAI字面上是指“叶面积指数”，但LAI-2000是测量所有挡光的物体。
LAI没有单位，可认为是叶面积/地面积。
MTA回答“叶片倾斜如何”。
如果所有叶片都是水平的，那么MTA就是0°；若都是垂直的，则为90°。
一般MTA处于30°（水平叶片占优势）~60°（垂直叶片占优势）之间。
结合空隙部分（GAPS）计算出DIFN，以表示未被叶片遮挡的天空部分。
此值范围在0（全叶片）~1（无叶片）之间。
DIFNS大体可看作是冠层结构的一个代表值，它将LAI和MTA结合为一个值。
1.连接一个传感器于X口或Y口上；2.FCT05确认时间和日期准确：准确的时间是必要的。
3.检查监视模式使用BREAK 键同ON 键首先显示的是时间使用和键选择查看上面一行的信息4.OPER 12 Set Prompts 这是一个附加信息设置告诉我们所采集资料的种类和位置按下ENTER 键提示输入所测的植物的种类例如输入GRASS 再按下ENTER 键输入位置例如PLOT55.FCT11设置操作模式为1 Sensor X(或1 Sensor Y)。
设置Seq=（冠层上下数据的测量顺序，例如“↑↑↓↓↓↓↓”）和Reps=（重复次数，如果输入0的话，则手动控制冠层测量的上或下，用• 来控制。
）6.以上确认后即启动测量程序，如果Seq输入0的话，则需要按log键才可以启动。
在连续两次输入标记后，即可开始测量。
7.在按钮按下后，听到两次提示音即表示一次数据记录完成。
8.按下FILE 键或者使用FCT 27 都可以进行测量结果观察9.需要多少B资料？1) 利用6 个B 资料来决定一个LAI 保证包含树冠的最稀疏的和最浓密的部分2) 计算SEL/LAI 叶面积指数的标准差。
